(57)【要約】【課題】共鳴周波数を高精度に所望の値に固定することができる高周波フィルタを提供すること。【解決手段】高周波フィルタ１００は、半導体基板１０上に、順に、接地層１２、絶縁層１４、磁性層２０、導電層１６が積層された構造を有する。ストリップラインは、絶縁層１４、磁性層２０、および、導電層１６によって形成される。磁性層２０は、非磁性層２２を第１強磁性層２１および第２強磁性層２３で挟んだ積層膜であり、人工フェリ磁性薄膜として機能する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性共鳴周波数を決定する磁性層として、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層が順に積層された積層膜を含み、
前記積層膜は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とが前記非磁性層を介して反強磁性結合された人工フェリ磁性薄膜であることを特徴とする高周波フィルタ。
【請求項２】
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは厚さが異なることを特徴とする請求項１に記載の高周波フィルタ。
【請求項３】
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは飽和磁化が異なることを特徴とする請求項１に記載の高周波フィルタ。
【請求項４】
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうち少なくとも１種を含む材料あるいはこれらからなる合金を含む材料あるいは、これらとその他の元素を含む多元系合金材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の高周波フィルタ。
【請求項５】
前記非磁性層は、遷移金属を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の高周波フィルタ。
【請求項６】
前記非磁性層は、Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｖ，Ｒｅ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔａのうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項５に記載の高周波フィルタ。
【請求項７】
半導体基板と、
前記半導体基板上に位置する接地層と、
前記接地層上に位置する絶縁層と、
前記絶縁層上に位置する前記磁性層と、
前記磁性層上に位置する導電層と、
を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の高周波フィルタ。
【請求項８】
半導体基板と、
前記半導体基板上に位置する接地層と、
前記接地層上に位置する前記磁性層と、
前記磁性層上に位置する絶縁層と、
前記絶縁層上に位置する導電層と、
を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の高周波フィルタ。
【請求項９】
半導体基板と、
前記半導体基板上に位置する前記磁性層と、
前記半導体基板上に位置し且つ前記磁性層と並置された接地層と、
前記磁性層上に位置する導電層と、
を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の高周波フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ：Monolithic Microwave Integrated Circuit）等で用いられる高周波フィルタに関し、特に、マイクロ波伝送線路の形態で実現される高周波フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波帯での高透磁率材料として、ＹＩＧ（yttrium iron garnet）に代表されるフェリ磁性絶縁体が専ら用いられてきた。しかしながら、ＹＩＧは、半導体基板上に薄膜として形成することが困難なために、マイクロ波集積回路での利用が難しい。
【０００３】
そこで現在では、ＹＩＧに替えてあらためて金属磁性体を利用することが見直されている。その理由は、マイクロ波集積回路の微細化に伴って電磁場が微小領域に集中し、これにより厚さ数μｍのスキンデプス内のマイクロ波磁場と金属磁性層との間において大きな相互作用を得ることができるようになったからである。金属磁性体は、半導体基板上に容易に薄膜として形成することができ、特に、マイクロストリップライン型あるいはコプレナガイド型のマイクロ波伝送線路を構成する磁性材料として注目されている。これらマイクロ波伝送線路を用いることによって、高周波フィルタ、インピーダンス変換器、共振器、移相器、波長短縮型導波路などのマイクロ波デバイスを実現することができる。
【０００４】
金属磁性体を用いたマイクロ波伝送線路において、広帯域化やフィルタを実現するために、ＣｏＺｒＮｂアモルファス合金磁性薄膜、Ｆｅ、パーマロイなどの金属磁性薄膜の利用が提案されている（例えば、非特許文献１，非特許文献２参照）。ＣｏＺｒＮｂ、Ｆｅ、パーマロイはＹＩＧよりも大きな飽和磁化を持つため、磁気共鳴周波数が５〜６ＧＨｚと高く、磁気共鳴周波数以下の信号を伝送するマイクロ波集積回路や磁気共鳴によるフィルタに利用することができると考えられている。
【０００５】
また、マイクロ波伝送線路を形成する磁性層として、金属磁性薄膜で形成された強磁性体／反強磁性体の積層膜を用いることが提案されている（特許文献１参照）。この積層膜は、強磁性層の磁化を固着させるために、磁気ヘッドなどで広く利用されている。強磁性体（例えば、Ｃｏ）と反強磁性体（例えば、ＩｒＭｎ）の間には界面を介して交換相互作用が働くことが知られている。この交換相互作用によって、強磁性層に有効磁場を印加することができる。有効磁場を利用すると、原理的には強磁性層の共鳴周波数を高めることが可能となる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２５７７３９号公報
【非特許文献１】中山英俊，山本知広，佐藤敏郎，山沢清人，三浦義正，宗像誠，八木正昭，日本応用磁気学会誌，第２８巻，第２号，１５７（２００４）
【非特許文献２】Bijoy Kuanr, Z. Celinski, R. E. Camley, Appl. Phys. Lett. 83, 3969 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したような金属磁性薄膜で形成されたマイクロ波伝送線路をバンドストップフィルタやバンドパスフィルタ等の高周波フィルタとして用いる場合には、その共鳴周波数あるいは透磁率がゼロとなる周波数を精密に制御できることが望ましい。そのような周波数は金属磁性薄膜の磁化に依存するため、結局は、その薄膜磁化を精密に制御することが望まれる。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、金属磁性薄膜の磁化を制御することにより、現実的に印加可能な数１００エルステッドの外部磁場の下であっても共鳴周波数を所望の値に高精度に固定することができる高周波フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる高周波フィルタは、強磁性共鳴周波数を決定する磁性層として、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層が順に積層された積層膜を含み、前記積層膜が、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とが前記非磁性層を介して反強磁性結合された人工フェリ磁性薄膜であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかる高周波フィルタは、磁性層として、強磁性層と非磁性層とからなる人工フェリ磁性薄膜を用いているので、強磁性層や非磁性層の膜厚や磁化を適当に選択することにより、共鳴周波数を高精度に所望の値に固定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明にかかる高周波フィルタの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは現実のものとは異なる。また、図面の相互間において同じ部分を指す場合であっても、互いの寸法や比率が異なって示されている部分もある。
【００１２】
（実施の形態１）
実施の形態１にかかる高周波フィルタは、マイクロ波伝送線路によって実現され、そのマイクロ波伝送線路を構成する磁性層として、第１強磁性層／非磁性層／第２強磁性層の積層膜からなる人工フェリ磁性薄膜を用いることを特徴とする。
【００１３】
上述したように、金属磁性薄膜をバンドストップフィルタあるいはバンドパスフィルタとして用いる場合には薄膜磁化を精密に制御する必要がある。磁性体の磁化は構成元素により変化するため、原理的には、合金化によって磁化を制御することが可能である。しかしながら、合金化では、磁化だけでなく異方性エネルギーやキュリー温度も変化するため、現実には多くの困難が伴う。本高周波フィルタで用いる人工フェリ磁性薄膜は、そのような困難性を排除し、より確実で且つシステマティックに磁化を固定することができる。
【００１４】
人工フェリ磁性薄膜では、第１強磁性層と第２強磁性層とが非磁性層を介して反強磁性的に結合している。第１強磁性層と第２強磁性層の厚さをそれぞれｔ1、ｔ2とし、飽和磁化をそれぞれＭ1、Ｍ2とし、非磁性層の厚さをｔNとすると、実効磁化Ｍeffは、以下の式（１）で表わされる。
【数１】
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第１強磁性層と第２強磁性層とを同一の材料で形成した場合にはＭ1＝Ｍ2となり、ｔ1、ｔ2、ｔNを変化させることによって所望の実効磁化Ｍeffを得ることができる。
【００１５】
図１は、実施の形態１にかかる高周波フィルタの斜視図であり、特に、マイクロストリップライン型の高周波フィルタを実現する構造を示している。図１に示す高周波フィルタ１００は、半導体基板１０上に、順に、接地層１２、絶縁層１４、磁性層２０、導電層１６が積層された構造を有する。また、図１に示すように、接地層１２の長手方向に垂直な方向の幅は、半導体基板１０の幅よりも短い。ストリップラインは、絶縁層１４、磁性層２０、および、導電層１６によって形成され、その幅は、接地層１２の幅よりも短い。
【００１６】
磁性層２０は、非磁性層２２を第１強磁性層２１と第２強磁性層２３とで挟んだ積層膜である。特に、磁性層２０は、これら第１強磁性層２１、非磁性層２２、第２強磁性層２３の各膜厚または材料を適当に選択することによって、人工フェリ磁性薄膜として機能する。例えば、非磁性層２２をＲｕで形成し、第１強磁性層２１および第２強磁性層２３をＣｏで形成することができる。特に、Ｃｏ／Ｒｕ／Ｃｏ積層膜において、Ｒｕの膜厚が約１．５ｎｍ以下であると、Ｃｏ層間に反強磁性的な相互作用が働き２層のＣｏ層の磁化は互いに逆向きに配向することが知られている。磁性層２０の厚さは、数１０ｎｍであり、導電層１６の厚さは数μｍである。磁性層２０をこのように薄くしてよい理由は、例えば本高周波フィルタをバンドストップフィルタとして機能させる場合、その磁気共鳴周波数域において磁性体の透磁率の虚数部が増大し、スキンデプスが数１００ｎｍに減少するからである。
【００１７】
図１では、磁性層２０は、第１強磁性層２１／非磁性層２２／第２強磁性層２３の３層から形成されるが、それに代えて、図２に示すように、強磁性層と非磁性層を多数積層して形成された磁性層３０を用いても良い。図２に示す磁性層３０では、第１強磁性層３１ａ〜３３ａと第２磁性層３１ｂ〜３３ｂが非磁性層４１〜４５を介して多層膜を形成している。多層膜として用いる場合には第１磁性層および第２磁性層の膜厚は１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲であることが望ましく、非磁性層の膜厚は０．５〜３ｎｍの範囲であることが望ましい。また、積層された第１磁性層と第２磁性層の全膜厚が数１０ｎｍ以上となるように積層数を調整することにより効率よく吸収することができる。このように、多くの積層数で人工フェリ磁性薄膜を形成することによって、共鳴周波数帯域の信号をより効率よく吸収することができ、理想的なバンドストップフィルタを提供することができる。
【００１８】
人工フェリ磁性薄膜の共鳴モードには、図３に示すように、共鳴周波数の低い強磁性モードに加え、低磁場においても共鳴周波数が高いフェリ磁性モードが存在する。強磁性モードの共鳴周波数ｆ0は、以下の式（２）で表わされる。
【数２】
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ここで、Ｍeffは式（１）の実効磁化を示し、ＨAは異方性磁場を示す。膜厚ｔNを１．５ｎｍ以下に保ち、ｔ1、ｔ2を適当な値にすることによって所望のＭeffが得られ、共鳴周波数ｆ0を制御することができる。
【００１９】
一方、フェリ磁性モードの共鳴周波数は、非磁性層の厚さおよび材料に依存するが、数１００エルステッドの弱い外部磁場の下でも１０ＧＨｚ以上にすることが容易である。人工フェリ磁性薄膜を用いた高周波フィルタでは、フェリ磁性モードがフィルタ特性に影響しないように、その周波数を強磁性モードに比較して十分高くしておくことが重要となる。
【００２０】
なお、第１強磁性層２１および第２強磁性層２３として、Ｆｅ，Ｃｏ、パーマロイなどの強磁性金属を用い、非磁性層２２として、Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｖ，Ｒｅ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔａなどの遷移金属を用いると、第１強磁性層２１と第２強磁性層２３との間に強い相互作用が生じ、フェリ磁性モードの周波数を高めることができる。
【００２１】
図４は、一定の外部磁場の下に置かれた磁性体について、透磁率（実部μ’，虚部μ”）の周波数依存性を示した模式図である。透磁率の虚部μ'' が最大となる周波数領域、すなわち、共鳴周波数ｆ0（図４では、例えばＡ１で示される約５ＧＨｚ）においては、マイクロ波の吸収が増大する。よって、この共鳴周波数ｆ0を中心とした一定の領域において、本高周波フィルタを形成するマイクロ波伝送線路をバンドストップフィルタとして利用することができる。
【００２２】
一方、反共鳴周波数として知られるｆ（μ’＝０）（図４では、Ａ２で示される約５０ＧＨｚを中心とした一定領域）において、本高周波フィルタを形成するマイクロ波伝送線路をバンドパスフィルタとして用いることができる。この周波数は以下の式（３）で表わされる。
【数３】
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【００２３】
式（３）に示す反共鳴周波数は、マイクロ波伝送線路を構成する磁性層として、Ｆｅ（飽和磁化Ｍｓ＝１７００Ｇ）などの金属強磁性体を単層で用いた場合には、５０ＧＨｚ以上になってしまい、このタイプのバンドパスフィルタは特殊な用途にしか用いることができない。しかしながら、本実施の形態にかかる高周波フィルタでは、マイクロ波伝送線路を構成する磁性層として人工フェリ磁性薄膜を用いているので、飽和磁化Ｍｓ（すなわち、実効磁化Ｍeff）を調節することができ、反共鳴周波数ｆ（μ’＝０）を数ＧＨｚまで減少させることが可能となる。
【００２４】
図５は、飽和磁化Ｍｓの異なる４つの高周波フィルタについて、共鳴周波数と外部磁場との関係を示すグラフである。図５では、上から順に、飽和磁化Ｍｓ＝１７００Ｇ（◇印）、飽和磁化Ｍｓ＝４８５Ｇ（□印）、飽和磁化Ｍｓ＝２５０Ｇ（△印）、飽和磁化Ｍｓ＝１００Ｇ（×印）の人工フェリ磁性薄膜を有する各高周波フィルタについてのグラフを示している。飽和磁化Ｍｓは実効磁化Ｍeffと等価であるため、式（１）に示したように、人工フェリ磁性薄膜を構成する第１強磁性層２１、非磁性層２２、および第２強磁性層２３のそれぞれの膜厚または材料を適当に選択することによって、上記したような異なる飽和磁化Ｍｓの高周波フィルタを得ることができる。図５では、飽和磁化Ｍｓが約２５０Ｇ以下となるように人工フェリ磁性薄膜を作成すれば、反共鳴周波数ｆ（μ’＝０）を１０ＧＨｚ以下まで減少させることができ、バンドパスフィルタとして実用的なものを提供することができる。なお、図５に示すように、外部磁場の増加によっても共鳴周波数を大きくすることができるが、その変化割合は、飽和磁化Ｍｓを増加させた場合と比べて小さい。このことからも、高周波フィルタを構成するマイクロ波伝送線路において人工フェリ磁性薄膜を用いることは有利であるといえる。
【００２５】
以下に、実施の形態１にかかる高周波フィルタの作製例とその高周波フィルタの評価について説明する。図６は、その作製例によって得られた高周波フィルタ２００の斜視図である。図１に示した高周波フィルタ１００では、磁性層２０は絶縁層１４上に形成されていたが、スパッタリングで作製された絶縁層上に、良好な磁性層を形成することはしばしば困難な場合がある。そこで、高周波フィルタ２００では、周知のスパッタ成膜工程とリソグラフィ工程によって、ＧａＡｓ基板２１０上に、順に、接地層２１２、磁性層２２０、絶縁層２１４、第１導電層２１７、第２導電層２１８が積層されている。すなわち、高周波フィルタ２００は、図１と異なり、磁性層２２０は接地層２１２上に形成され、絶縁層２１４は磁性層２２０上に形成されている。このような構造によっても、後述するグラフからわかるように、所望の共振周波数に高精度に調整されたバンドストップフィルタまたはバンドパスフィルタを得ることができる。
【００２６】
まず、この高周波フィルタをバンドストップフィルタとして機能させるにあたり、約１Ｋエルステッドの外部磁場をＧａＡｓ基板２１０面内に印加した状態でスパッタ成膜を行った。接地層２１２はＡｇで形成され、その厚さｄ0は２μｍとした。磁性層２２０は、Ｃｏ（３．２ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ（Ｘｎｍ）（Ｘ＝４〜１０ｎｍ）が多数積層された積層膜であり、その総膜厚ｄ1を約１００ｎｍとした。絶縁層２１４はＳｉＯ2で形成され、その厚さｄ2を８μｍとした。第１導電層２１７はＡｇで形成され、第２導電層２１８はＡｕで形成され、これら導電層からなるストリップラインの幅Ｗを２０μｍとし、その厚さｄ3を２μｍとした。このバンドストップフィルタの全長Ｌは３ｍｍとした。
【００２７】
フィルタ特性の評価は一定の外部磁場をストリップライン方向に印加した状態で、ネットワークアナライザを用いて行った。また、フィルタと測定ケーブルの接続にはマイクロ波プローバを用いた。図７は、１００エルステッドの外部磁場の下で得られた、このバンドストップフィルタのフィルタ特性を示すグラフである。図７において、縦軸は共鳴周波数（ＧＨｚ）を示し、横軸は第２強磁性層の膜厚Ｘ（ｎｍ）を示しており、第２強磁性層の厚さが増加するにつれて共鳴周波数も増加することがわかる。なお、本グラフを得るにおいて、異方性磁場ＨAは約７０エルステッド、最大減衰量は１０ｄＢ、半値幅は０．２ＧＨｚ、挿入損失は１．５ｄＢであった。
【００２８】
次に、図６に示した構造の高周波フィルタをバンドパスフィルタとして機能させるにあたり、上記した磁性層２２０を、Ｃｏ（３．２ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ（２．６ｎｍ）が多数積層された積層膜（総膜厚ｄ1は約４００ｎｍ）として形成した。その他の各層のサイズや材料は上記したとおりである。図８は、１００エルステッドの外部磁場の下で得られた、このバンドパスフィルタのフィルタ特性を示すグラフである。図８から、Ｃｏ単層膜（Ｍs＝１４００Ｇ）の場合に約５０ＧＨｚであった反共鳴周波数がフェリ磁性薄膜（実効磁化１１０Ｇ）を用いることによって、４〜６ＧＨｚに低減していることが分かる。
【００２９】
図６に示した高周波フィルタ２００では、磁性層２２０と絶縁層２１４の幅は、接地層２１２の幅と一致し、第１導電層２１７および第２導電層２１８によってストリップラインが形成されているが、磁性層２２０、絶縁層２１４、第１導電層２１７、第２導電層２１８の４層によってストリップラインを形成してもよい。また、絶縁層と導電層によってストリップラインを形成してもよい。図９は、この場合の高周波フィルタを示す斜視図である。図９に示す高周波フィルタ３００では、半導体基板３１０上に、順に、接地層３１２、磁性層３２０、絶縁層３１４、導電層３１６が積層され、絶縁層３１４および導電層３１６によってストリップラインが形成されている。なお、磁性層３２０は、図１と同様に、第１強磁性層３２１／非磁性層３２２／第２強磁性層３２３の積層膜、すなわち人工フェリ磁性薄膜で形成される。
【００３０】
以上に説明したように、実施の形態１にかかる高周波フィルタによれば、磁性層として、第１強磁性層／非磁性層／第２強磁性層の積層膜からなる人工フェリ磁性薄膜を用いているので、共鳴周波数や反共鳴周波数を所望の値に高精度に固定することができる。
【００３１】
（実施の形態２）
実施の形態２にかかる高周波フィルタは、コプレナガイド型のバンドストップフィルタを例示するものである。図１０は、実施の形態２にかかる高周波フィルタの斜視図である。図１０に示す高周波フィルタ４００は、半導体基板４１０上に、磁性層４２０、接地層４１２ａ，４１２ｂが形成され、磁性層４２０上にさらに導電層４１６が積層された構造を有する。磁性層４２０は、第１強磁性層４２１／非磁性層４２２／第２強磁性層４２３からなる積層膜で形成され、実施の形態１と同様に人工フェリ磁性薄膜として機能する。２つの接地層４１２ａ，４１２ｂは、磁性層４２０および導電層４１６によって形成されるストリップラインの両側にその長手方向に沿って形成される。また、接地層４１２ａ，４１２ｂのそれぞれはストリップラインから所定の距離だけ離れて位置する。特に、このコプレナガイド型のバンドストップフィルタでは、図１に示した高周波フィルタ１００で必要であった絶縁層を必要としない。
【００３２】
この実施の形態２にかかる高周波フィルタであっても、磁性層として人工フェリ磁性薄膜を用いているので、実施の形態１と同じ効果を享受することができる。なお、図１０に示した同構造によって、実施の形態１と同様に、本高周波フィルタをバンドパスフィルタとして機能させることもできる。
【００３３】
本発明は、上述したような特定の実施形態に限定されるものではなく、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。すなわち、本発明にかかる実施の形態は、添付の特許請求の範囲およびその均等物にかかる発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施の形態１にかかる高周波フィルタの斜視図である。
【図２】磁性層の他の例を示す断面図である。
【図３】人工フェリ磁性薄膜の共鳴モードの説明図である。
【図４】一定の外部磁場の下に置かれた磁性体について、透磁率の周波数依存性を示した模式図である。
【図５】飽和磁化Ｍｓの異なる４つの高周波フィルタについて、共鳴周波数と外部磁場との関係を示すグラフである。
【図６】実施の形態１にかかる高周波フィルタの作製例を示す斜視図である。
【図７】１００エルステッドの外部磁場の下で得られたバンドストップフィルタのフィルタ特性を示すグラフである。
【図８】１００エルステッドの外部磁場の下で得られたバンドパスフィルタのフィルタ特性を示すグラフである。
【図９】実施の形態１にかかる高周波フィルタの他の例を示す斜視図である。
【図１０】実施の形態２にかかる高周波フィルタの斜視図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０，２１０，３１０，４１０  半導体基板
１２，２１２，４１２ａ，４１２ｂ  接地層
１４，２１４，３１４  絶縁層
１６，２１７，２１８，３１６，４１６  導電層
２０，２２０，３２０，４２０  磁性層
２１，２３，３１〜３６，３２１，３２３，４２１，４２３  強磁性層
２２，４１〜４５，３２２，４２２  非磁性層
１００，２００，３００，４００  高周波フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006101240.tif 000010
【図６】
2006101240.tif 000011
【図７】
2006101240.tif 000012
【図８】
2006101240.tif 000013
【図９】
2006101240.tif 000014
【図１０】
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